撫順老虎臺礦地下采煤對地表建筑物的影響及成因

孫婉瑩

一、選擇課題緣由

撫順，素有“煤都”之稱，是一座因煤而立、因煤而興的美麗城市，但在百年開采后，這座曾經(jīng)創(chuàng)造過新中國工業(yè)輝煌歷史的城市，卻陷入了資源日漸枯竭、地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的泥潭，繼而走到了經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的危機(jī)邊緣……

煤炭過度開采帶來的地質(zhì)災(zāi)害，造成了撫順地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化和城市資源的加劇枯竭，引發(fā)的安全問題及社會(huì)問題令人堪憂。希望本課題引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，引領(lǐng)撫順找尋治理地質(zhì)災(zāi)害的突破口，早日解決撫順面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題，推進(jìn)撫順實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型新常態(tài)。

撫順煤炭開采主要有地下開采和露天開采兩種方式。地下開采極易造成地質(zhì)構(gòu)造局部改變，繼而帶來一系列災(zāi)害，如礦震，地面塌陷等等。撫順礦業(yè)集團(tuán)公司的龍鳳礦及老虎臺礦是兩所典型的井工煤礦，均開采于1907年，屹今約有百余年歷史，頂盛時(shí)期，日產(chǎn)量可以突破萬噸。目前，由于過度開采，導(dǎo)致?lián)犴樀刭|(zhì)條件復(fù)雜、隱患威脅嚴(yán)重，礦震頻繁發(fā)生，地表沉降、塌陷、地裂縫等等時(shí)常出現(xiàn)，這些問題一直嚴(yán)重困擾著當(dāng)?shù)鼐用裆睿F(xiàn)已成為影響撫順地區(qū)社會(huì)穩(wěn)定的主要因素之一，所以對地下開采帶來影響的防治工作刻不容緩。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，撫順礦山地質(zhì)災(zāi)害及災(zāi)害影響面積達(dá)57.8平方公里，占城市建設(shè)區(qū)的42.5%，涉及人口達(dá)30萬人。所以，深刻分析地下采煤對地表建筑物的影響極其規(guī)律，并針對影響規(guī)律進(jìn)行綜合治理，是撫順人必須深入研究的課題。

二、課題簡介

針對撫順老虎臺礦地下采煤對地表建筑帶來隱患這一問題，本文主要以撫順老虎臺礦地表穩(wěn)定性評價(jià)為工程實(shí)例，從地表移動(dòng)原理、沉陷測算等方面，系統(tǒng)的闡述了撫順老虎臺礦地表移動(dòng)的原因，并通過大量的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和測算，對地表穩(wěn)定性進(jìn)行探討分析，得出適合老虎臺礦沉陷計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并對老虎臺礦地表穩(wěn)定性做出評價(jià)。

三、課題的意義

在一定外界條件下地下采煤會(huì)引起大面積的地表沉降、地表變形、塌落、礦震等一系列地質(zhì)災(zāi)害，并導(dǎo)致地表建筑物的變形破壞，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來不可估量的損失。

目前，撫順礦區(qū)仍在開采大量的煤炭，開采的同時(shí)所產(chǎn)生的地表沉陷，影響和破壞著地面上的一些生產(chǎn)和生活設(shè)施，要解決好這個(gè)矛盾，必須深入研究地下開采對地面建筑的影響。

四、研究內(nèi)容、研究計(jì)劃及預(yù)期目標(biāo)

地下開采是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)時(shí)空過程，存在許多的不確定性因素。地下的煤炭被開采出來后，開采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)將會(huì)受到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡，在此過程中，巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)移動(dòng)、變形和非連續(xù)的破壞。要想最大限度地防治地下開采對地面建筑帶來的不利影響，需要進(jìn)行大量地表沉陷的實(shí)測與統(tǒng)計(jì)工作，才能掌握煤層開采后地表沉陷的分布形態(tài)特征。本文提出了概率積分法、典型曲線法兩種地表沉陷預(yù)測方法。

五、研究計(jì)劃

（1）學(xué)習(xí)采礦引起地表沉陷的基本理論。目標(biāo)：巖層的移動(dòng)和變形、地表移動(dòng)和變形對建筑物的影響、地表塌陷對地面建筑物的影響。

（2）了解撫順老虎臺礦區(qū)地質(zhì)及開采概況。目標(biāo)：地層及構(gòu)造、開采歷史、采區(qū)分布、地質(zhì)采礦技術(shù)條件。

（3）撫順老虎臺礦區(qū)開采沉陷計(jì)算。目標(biāo)：采煤地表沉陷計(jì)算、評價(jià)區(qū)域地表移動(dòng)與變形分析、地表突發(fā)性塌陷可能性分析。

（4）撫順老虎臺礦區(qū)地表穩(wěn)定性評價(jià)。目標(biāo)：老虎臺礦區(qū)沉陷區(qū)分布、老虎臺礦區(qū)沉陷成因與特征分析、老虎臺礦區(qū)沉陷程度分析。

六、采用的調(diào)研、實(shí)驗(yàn)方法

1）概率積分法：通過大量的開采沉陷實(shí)驗(yàn)表明，沉陷盆地的剖面在理想情況下，曲線呈正態(tài)分布。且與概率密度分布一致，因此，整個(gè)開采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示為概率密度函數(shù)的積分公式，故稱為概率積分法。

2）典型曲線法：典型曲線法是用典型曲線表示移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)和變形曲線的一種方法，它試用于矩形或近似矩形的采區(qū)的地表移動(dòng)變形預(yù)測。

七、研究結(jié)論及成果

本文以開采沉陷學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，采用概率積分法對采空區(qū)地表沉陷值進(jìn)行計(jì)算，并對各個(gè)采空區(qū)地表穩(wěn)定性做出評價(jià)，得出以下結(jié)論：

1）以撫順老虎臺礦區(qū)地表穩(wěn)定性評價(jià)為工程實(shí)例，對規(guī)劃場地的地下煤層開采條件進(jìn)行深入分析，并采用概率積分法對評價(jià)區(qū)沉陷進(jìn)行計(jì)算，得出“撫順老虎臺礦區(qū)地表集中移動(dòng)期為3.5年，老虎臺礦區(qū)地表沉陷不穩(wěn)定”結(jié)論。

2）對撫順老虎臺礦的開采技術(shù)條件、應(yīng)力的分布作了詳細(xì)調(diào)查，對開采引起的地表沉陷的原因、沉陷程度作了系統(tǒng)分析。最終劃分出若干個(gè)開采沉陷區(qū)，對每個(gè)開采沉陷區(qū)的沉陷情況作詳細(xì)介紹，以指導(dǎo)合理開采，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境安全。

3）希望本課題能引起國家相關(guān)方面的重視，切實(shí)把撫順市礦產(chǎn)資源的開采、地質(zhì)災(zāi)害治理、城市規(guī)劃與建設(shè)和生態(tài)與環(huán)境恢復(fù)納入?yún)^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃，給予政策和資金的重點(diǎn)扶持。